Практическое использование метода ситуационного управления в системах менеджмента безопасной эксплуатацией

При выполнении на судне ключевых и аварийных операций (ниже просто судовых операций) существующие нарушения обычно принято связывать с так называемым "человеческим фактором", который в большинстве аварий и аварийных случаев "неуловим и непостижим" для анализа и последующего учета в практической деятельности экипажа этого судна. Однако завесу "неуловимости и непостижимости" в "человеческом факторе" можно все же развеять, если перевести исследование в плоскость конкретных проблем.

Так, "неуловимость и непостижимость" определяется в первую очередь тем, что одни специалисты (береговые) только принимают решение, а ответственность за них несут уже другие специалисты (судовые). Действительно, реальные предпосылки к судовым авариям и аварийным случаям могут создаваться непосредственно в отделах береговых подразделений судоходных компаний и закладываться в безответственные и незрелые проекты или завышенные производственные показатели.

Другим авариям и аварийным случаям могут предшествовать целый ряд неверных, поспешных и, как правило, волевых административных решений, принятых без должных консультаций со специалистами и даже порой вопреки их предостережениям. Именно отсюда следует, что решение любой новой задачи в области обеспечения безопасности плавания судна должно начинаться с четкой постановки. Как известно, четкость постановки задачи в целом обеспечивается, во-первых, определением четких конечных целей и, во-вторых, фиксацией четкой структуры самой задачи.

В тех же случаях, когда предпринимается очередная попытка решить застарелую проблему, не обойтись без анализа прошлых ошибок, осознания ложности начальных посылок, приведших к аварийным тупиковым ситуациям. Иными словами, при решении застарелых проблем необходимо назвать вещи своими именами и объективно, то есть достоверно, определить, что получилось, а что не получилось, и почему в конечном итоге пришли к тупиковой аварийной ситуации.

Поэтому далее, рассматривая взаимосвязь "человеческого фактора" и аварийности в системе обеспечения заданного уровня безопасности плавания судна, будем исходить из того, что такая взаимосвязь определяется не только такими субъективными свойствами, как небрежность, халатность, пренебрежение требованиями действующих правил, но и объективными причинами. К таким объективным причинам, способствующим появлению аварий и аварийных случаев, следует отнести, например, нечеткость, которая сопутствует лингвистическому описанию планов проведения судовых операций.

В последнее время существует мнение береговых специалистов о том, что доминирующей причиной аварийности на флоте является небрежность, халатность, пренебрежение требованиями действующих правил и инструкций, направленных на обеспечение безопасности плавания. Однако, не отрицая существующей зависимости аварийности от личной недисциплинированности членов экипажа судна, необходимо все же отметить, что брать эту концепцию за основу столь же неверно, сколь и вредно. Неверно в первую очередь потому, что акцент на "всеобщую халатность" нарушает закон причинности, согласно которому всякое явление является следствием некоторого другого явления и одновременно – причиной нового. Поэтому, произвольно разрывая причинно-следственную цепь в "нужном месте", можно всегда получить и "нужные результаты". Вредность же концепции "всеобщей халатности" в том, что она маскирует более глубоко лежащие и поэтому менее очевидные, но отнюдь не менее значимые причины. Кроме того, концепция "всеобщей халатности" способна ориентировать на разработку ложных или тупиковых рекомендаций в части разработки мероприятий по поддержанию заданного уровня безопасности плавания.

Если же расширить область выводов, вытекающих из концепции "всеобщей халатности", то вполне очевиден вопрос: почему же нарушаются требования нормативных документов по безопасности плавания?

Ответ на этот вопрос можно сформулировать следующим образом. Любые правила и наставления по обеспечению безопасности плавания выступают в роли стереотипов поведения судоводителя. Такие стереотипы применимы только в условиях типичности и очевидности ситуации. В нетипичных и нетривиальных ситуациях необходимы альтернативные стереотипы, которые обеспечивают решения, более затратные по времени и интеллектуальным усилиям. Следовательно, область применения нормативных документов по обеспечению заданного уровня безопасности плавания всегда ограничена. В то же время расширение области применения нормативных документов обычно осуществляется за счет включения в них неких общих положений, оперирующих, как правило, "нечеткими" определениями, такими, например, как хорошая морская практика, навигационный и производственный риск, безопасная скорость судна и т.д.

Такие обобщенные и нечеткие признаки безопасного плавания на сегодняшний день не определены, следовательно, их практическая реализация достаточно проблематична. Поэтому, например, использование судового плана по выполнению судовой операции, составленного в виде лингвистической модели ситуационного управления и включающего в себя нечетко сформулированные требования к поддержанию состояния безопасной эксплуатации судна, является еще одной причиной аварийности, хотя и удачно скрывающейся за концепцией "всеобщей халатности".

• 2.    Особенности лингвистического описания судовой ключевой операции

  В большинстве случаев, когда ведется управления такими сложными процессами как поддержание безопасности при выполнении какой-либо судовой ключевой операции, используются именно "лингвистические" модели ситуационного управления. В данном случае под ситуацией будем понимать описание состояния в некоторый момент времени безопасной эксплуатации судов, как объекта управления, совокупностью признаков, определенных на подмножестве естественного языка. Естественно, что такие признаки могут иметь как четкие, так и нечеткие значения ( Заде , 1976).

Чтобы использовать методы лингвистического управления судовыми ключевыми операциями, необходимо каждую такую операцию представить в виде некоторого множества ситуаций X = { x 1 , x ₂, ..., x n }. Причем каждой ситуации x е X должны быть поставлены в соответствие некоторые управления и из множества управлений U = { и 1 , и ₂, ..., u n }, применяемые в случае возникновения ситуации x и способствующие поддержанию заданного уровня безопасной эксплуатации судна.

Полное множество ситуаций X при выполнении реальной задачи управления судовой операцией может быть достаточно велико. Например, если для описания ситуации используется m признаков, каждый из которых имеет m о нечетких значений, то верхняя оценка числа ситуаций будет равна | X <  m о ^m . Поэтому реалии практического управления судовой операцией требуют сокращения мощности множества X за счет исключения "редко" возникающих ситуаций.

Для корректного сокращения мощности множества ситуаций X необходимо в этом множестве выделить некоторое минимальное подмножество эталонных ситуаций X ₀ со своими признаками, которое отвечало бы условию X ₀ с X . Типовые эталонные ситуации из подмножества X ₀ должны в определенном смысле доминировать над остальными ситуациями в X . Именно свойство доминирования позволяет считать подмножество X ₀ универсальным и использовать только его в ситуационном управлении для конкретной лингвистически определенной судовой операции.

Пусть имеется лингвистическая модель ситуационного управления судовой операцией, которая, с одной стороны, определяется некоторым производственным процессом, а, с другой стороны, должна обеспечивать поддержание заданного уровня безопасности при эксплуатации судна. Кроме того, положим, что в этой модели определена ее структура, которая задана в виде тройки ( X , U , R ). Элементами этой структуры являются: множество ситуаций X = { x 1 , x ₂, ..., x n }, множество управлений U = { и 1 , и ₂,..., u n } и биективное соотношение вида R : X ^ U .

Если далее принять, что в структуре ( X , U , R ) множество ситуаций X является полным, то любая ситуация из этого множества, возникающая при управлении судовой операцией, обязательно будет близка по некоторым признакам к другой ситуации из множества X . Именно допущение о полноте множества ситуаций Х позволяет обоснованно считать, что каждая ситуация из множества X может быть описана с помощью нечеткого множества Y , которое, в свою очередь, определено на некотором множестве признаков Y = {у 1 , у ₂, ..., y n }. Тогда, с формальной точки зрения, любая ситуация x е X , может быть описана с помощью нечеткого множества признаков Y = {у 1 , у ₂,..., y n } и фиксирована так:

^х = ^{< к ( у )/ у > I у ^е Y }, ⁽¹⁾

где ^_x ( у ) - степень близости ситуаций по признаку у (подробнее см. ниже).

Естественно, что любая нечетко заданная ситуация (1) и биективное соотношение R для каждой xp е X задают некоторое управление Up, которое необходимо для привлечения его в процесс ситуационного управления судовой операцией, если возникает ситуация xр. Поэтому, учитывая свойство биективного соотношения R, для корректного сокращения мощности множества ситуаций X необходимо составить представление об эталонной ситуации вообще и уже на его основе образовать некоторое минимальное множество X0, во-первых, отвечающее условию X0 с X, а, во-вторых, обеспечивающее полное управление всей судовой операцией.

• 3.    Построение минимального множества эталонных ситуаций, обеспечивающих полное управление судовой операцией

Чтобы составить представление об эталонной ситуации, в которой должна находиться судовая операция, воспользуемся понятием нечеткого равенства нечетких ситуаций. Так две ситуации, записанные как

X i = {< ц Х. (У ) / У > | У е Y };

X = {<цХ(у) /у >1 у е YY можно считать нечетко равными, если степень их нечеткого равенства ц(xi, Xj) не меньше некоторого порога х е [0,1], определенного для конкретных условий управления судовой операцией. При этом степень нечеткого равенства, как правило, определяется так:

где

ц ( X i , X j ) = П C [цХ(y ), ц Х (y )], y е Y

• *(v\ n j(vw     У ц Х ( У ) ^ ц Х ( У ) ^если ц Х (У ) ^{г (1 -} х ^, х ) и ц Х (y ) г (1^- х ^, х );

C(y), цХ (y))     { 1, если цХ(у) е (1 - х, х) или цХ(у) е (1 - х, х), причем символы П и ^ обозначают, соответственно, операции конъюнкции и эквивалентности (Заде, 1976).

Для построения конструктивной процедуры выделения некоторого минимального множества X 0 с X воспользуемся таким математическим объектом, как граф общности эталонных ситуаций. Формально структуру такого графа можно записать так:

При построении графа G = ( X , P ) следует учитывать реальные возможности перехода контролируемой судовой операции из ситуации в ситуацию. Так, если X ( x l , x q ) >  х , но переход из x l в x q или из x q в х l невозможен, то можно определить это обстоятельство условием вида ( x l , x q ) г P . Выполнение этого условия свидетельствует лишь о том, что ситуации x l и x q не являются смежными в графе общности.

Поскольку введенный граф эталонных ситуаций судовых операций G = ( X , P ), по сути, является графом отношения нечеткой общности на множестве ситуаций, для решения поставленной задачи необходимо выделить такое минимальное подмножества его вершин X , , которое смежено со всеми остальными вершинами графа. Другими словами, следует выделить такое подмножество из всего внешне устойчивого (доминирующего) множества эталонных ситуаций, от которого с помощью только одного локального управления можно перейти к любой из оставшихся ситуаций.

Для организации процесса выделения доминирующего множества в графе G = ( X , P ) достаточно построить такое его покрытие D , которое содержало бы минимальное число элементов из матрицы смежности M . Для практического определения покрытия D целесообразно привлечь следующее правило. Выбираем в матрице смежности М строку x i с минимальным количеством единиц. Из множества A ( x i ) столбцов, имеющих пересечение со строкой x i {( V x е A ( x i )), (( x i , x ) е P )}, выбирается столбец X j с минимальным количеством единиц. Элемент X j вносится в покрытие D , а все строки, имеющие пересечение со столбцом x j , вычеркиваются. Затем из оставшихся строк матрицы смежности вновь выбирается строка x m , имеющая минимальное число единиц, и построение покрытия D продолжается. Покрытие D матрицы М можно считать построенным, если в М будут вычеркнуты все строки. Тогда составленное покрытие будет определять такое минимальное множество X 0 = D , которое и позволит осуществить полное управление судовой операцией, отвечающее поддержанию требуемого уровня безопасной эксплуатации за счет минимизации рисков.

Для исследования возможностей перевода судовой ключевой операции из одной эталонной ситуации в другую эталонную ситуацию целесообразно воспользоваться понятием нечеткой общности по заданным признакам. Так, ситуации x_i , x j е X должны иметь нечеткую общность по всем заданным признакам кроме одного, если степень такой общности, с одной стороны, ограничена X ( x i , x j ) >  х , а, с другой стороны, определена так:

X ( х , , X j ) = П C(ц Х (у ), ц Х (у )),

У е Y^} где yk - признак, имеющий наиболее отличающиеся друг от друга степени принадлежности ситуациям xi и Xj, причем этот признак всегда будет отвечать условию

П C(ц X (y k ), ^ xj (y k )) = min П C(ц X (y ), ц X ( y )).

y е Y

Если X ( x i , X j ) <  х , то не менее двух признаков имеют нечеткие неравные значения в ситуациях x i и X j . С другой стороны, x i и X j считаются имеющими общность, если они отличаются значениями только одного признака y k , а значения остальных признаков нечетко равны. Значит, определенным образом воздействуя на признак y k , можно, при условии независимости значений признаков друг от друга, перейти из ситуации x i в ситуацию X j , и наоборот. Это воздействие и будет являться локальным управлением по признаку y k . Следовательно, переходы от одной конкретной ситуации x i к другой конкретной ситуации x j , имеющим некоторую общность, если они не запрещены в реализуемой судовой операции, можно осуществить применением только одного локального управления u i е U .

• 4.    Управление минимальным множеством эталонных ситуаций, обеспечивающим заданный уровень безопасности

Покажем, что выделенных эталонных ситуаций, образующих доминирующее множество X 0 с X , достаточно, чтобы осуществить управление всей судовой операцией в целом. Пусть ситуации x b е X поставлено в соответствие управление U b = { u ₁ b , u ₂ b , ..., u_m^b }, причем такое, что после его применения в ситуации x b контролируемая операция переходит в ситуацию x c е X . Пусть, далее, ситуация x a е X имеет общность с x b по всем признакам, кроме признака y_k . Тогда возникает необходимость в определении такого управления U a ={ u ₁ a , u ₂ a ,..., u_m a }, которое было бы способно обеспечить конкретный переход вида x a ^ x b .

Введем ряд дополнительных обозначений. Пусть u i - множество локальных управлений по признаку y i е Y . Если признак y i ( i <  m ) имеет m i значений, то по y i должно быть m i ⁺ = m i - 1 локальных управлений на увеличение значений признака, m i " = m i - 1 локальных управлений на уменьшение значений признака и одно управление нейтральное, т. е. "ничего не изменять".

Обозначим весь перечень локальных управлений следующим образом. Пусть увеличение значений признака y i , определено положительными целыми числами 1, 2, ..., m i ⁺, и возрастание этого числа соответствует возрастанию степени увеличения значения признака y i . В то же время уменьшение значений признака определено отрицательными целыми числами -1, -2, ..., - m i ", и уменьшение этого числа соответствует возрастанию степени уменьшения значения признака y_i . И, кроме того, пусть локальное управление "ничего не изменять" определено нулем.

Так же, как и локальные управления, обозначим значения признака y i е Y целыми положительными числами 1, 2, ..., m . Такие обозначения можно ввести по всем признакам y е Y и соответствующим им множествам локальных управлений u .

В рамках введенных обозначений и заданного перечня локальных управлений рассмотрим несколько ситуаций, например, x a , x b , x c е X , заданных так:

^xa    ^{ a 1 , a 2 , ..., a m ^};

X b = { b 1 , b 2 , ..., b m };

xc    {c 1, c2, ..., cm}, где ai, bi, ci (i = 1, m) - числа, которые обозначают значения признаков в этих ситуациях.

В тех случаях, когда ситуации x a и x b имеют нечетко равные значения всех признаков, кроме одного признака y k , будет иметь место очевидное равенство a i = b i при i X k , ( i = 1, m ). Это равенство, в свою очередь, позволяет записать соотношение u ? = u,^b , i X k ( i = 1, m ), причем такое, для которого всегда выполняется условие

| u i ^a | = ( b i - a i ) + | u b | = | u b |.

Если b_k X a_k , то для приведения значения признака y_k в ситуации x_a к значению этого признака в ситуации x_b требуется управление, равное числу ( b_k - a_k ). В то же время для приведения значения признака y_k в ситуации x_b к значению этого признака в ситуации x c требуется управление u_k . Очевидно, что для перехода из значения признака y_k в ситуации x_a в значение этого признака в ситуации x_c , требуется управление, которое обозначается числом

| u X ¹ 1 = ( b k - a k ) + | u k ^b |.

Далее будем исходить из того, что величина |uka| удовлетворяет неравенству вида - mk" < |uka| < mk+. Тогда число |u?|, обозначающее управление u? е Ua, можно найти с помощью следующей индикаторной функции f mi+ если (bi - at) + |ub| > mi+;

| u a | = ^ ( b i - a i ) + | u i ^b |, если - m i " < ( b i - a i ) + | u^b | <  m i ⁺;                                                   (2)

I

I - mi" если (bi - ai) + | uib | < - mi", где |ub| - число, обозначающее управление uib e Ub.

Составленная выше индикаторная функция показывает, что, если ситуации x a и x b имеют общность по всем признакам, кроме одного признака y k , а U_b = { u 1 ^b , u ₂ ^b , ..., u m ^b } является управлением, которое соответствует x_b , после применения которого осуществляется переход в ситуацию x c из x_b , то тогда число | u a | при i = (1, m ), обозначающее управление u a e U a , определяется как граничная сумма ( b i - a i ) и | u^b | с границами - m i " и m i ⁺, соответственно.

В качестве примера использования индикаторной функции (2) рассмотрим два наиболее характерных варианта управления эталонными ситуациями с целью обеспечения безопасности при эксплуатации судна. В первом варианте будем полагать, что при проведении судовой операции реализуется ситуация x_b e X 0 , а наблюдаемая судовым персоналом ситуация x a уже не принадлежит доминирующему множеству X 0 . Пусть, кроме того, ситуация x a нечетко классифицирована. Чтобы удержать судовую операцию в состоянии безопасной эксплуатации, следует определить нужное управление U a . Такое управление должно соответствовать ситуации x_k из X 0 , имеющей общность с наблюдаемой ситуацией x a . В соответствии с построением множества X 0 , ситуация x k всегда существует. Поэтому управление U_a будет поддерживать состояние безопасной эксплуатации на принятом уровне. Второй вариант управления судовой операцией свяжем с тем случаем, когда ситуации x_a и x_b имеют нечеткую общность. Чтобы найти управление, обеспечивающее безопасную эксплуатацию судна U a , достаточно выделить признак y_k , которым различаются ситуации x a и x_b . Если u a = u^b , i ^ k , i = 1, m , то управление u^a e U_a определяется в рамках процедуры (2).

• 5.    Заключение

Предлагаемый метод выделения эталонных ситуаций из общего их множества и расчет соответствующих управлений позволяет, сохраняя всю полноту информации о судовой операции, последовательно управлять эталонными ситуациями, поддерживая, таким образом, принятый в компании уровень безопасной эксплуатации судна. Составленное лингвистическое описание плана безопасного проведения судовой операции, включающего в себя последовательность эталонных ситуаций и управлений ими, будет отвечать поставленной цели лишь в том случае, когда для каждой эталонной ситуации значения признаков не зависят друг от друга, а управление представляет собой совокупность локальных управлений по каждому признаку ситуации.